太赫兹量子级联激光装置的制作方法

本发明的实施方式涉及一种太赫兹量子级联激光装置(日文：テラヘルツ量子カスケードレーザ装置)。

背景技术：

当使用具有30ghz～30thz的频率的太赫兹波时，例如，能够对纸袋内的特定物质等进行检测。

然而，难以通过高频电路来生成太赫兹波。

当将从ktp(kti0p4)-opo(opticalparametricoscillator：光参量振荡器)产生的双波长红外线激光对非线形结晶进行照射时，作为差频而生成太赫兹波。然而，其构成较复杂。

专利文献1：日本特开2008-53519号公报

技术实现要素：

本发明提供一种量子级联激光装置，能够作为2个红外线的差频而发出太赫兹波。

实施方式的太赫兹量子级联激光装置具有基板、半导体层叠体以及第一电极。所述半导体层叠体具有能够通过次能带间光学跃迁来发出红外线激光且设置在所述基板上的活性层、以及设置在所述活性层之上的第一包层，所述半导体层叠体设置有脊形波导路。在所述第一包层的上表面设置有沿着所述脊形波导路的延伸方向分离设置的第一分布反馈区域以及第二分布反馈区域。所述第一电极设置在所述第一包层的上表面。所述第一分布反馈区域的平面尺寸小于所述第二分布反馈区域的平面尺寸。

附图说明

图1(a)是第一实施方式的太赫兹量子级联激光装置的示意俯视图，图1(b)是沿着a-a线的示意剖视图，图1(c)是沿着b-b线的示意剖视图。

图2是对量子级联激光装置对于相对电流密度的电压依存性进行说明的图表图。

图3(a)是将太赫兹波量子级联激光装置的第一分布反馈区域的一个例子局部放大的示意剖视图，图3(b)是将其第二分布反馈区域的一个例子局部放大的示意剖视图。

图4(a)是第一实施方式的变形例的示意俯视图，图4(b)是沿着a-a线的示意剖视图，图4(c)是沿着b-b线的示意剖视图。

图5(a)是第二实施方式的太赫兹量子级联激光装置的示意俯视图，图5(b)是沿着a-a线的示意剖视图，图5(c)是沿着b-b线的示意剖视图。

图6(a)是将第二实施方式的太赫兹量子级联激光装置的第一分布反馈区域的一个例子局部放大的示意剖视图，图6(b)是将其第二分布反馈区域的一个例子局部放大的示意剖视图。

图7(a)是第二实施方式的变形例的示意俯视图，图7(b)是沿着a-a线的示意剖视图，图7(c)是沿着b-b线的示意剖视图。

符号的说明

10：基板，12：活性层，14：第一包层，14a：第一分布反馈区域，14b：第二分布反馈区域，20：半导体层叠体，30：第一电极，30a：第一区域，30b：第二区域，40：脊形波导路，50：第一帕尔贴元件，52：第二帕尔贴元件，g1：第一红外线激光，g2：第二红外线激光，d1、d2：(衍射光栅的)间距，rth1、rth2：热阻，s1、s2：(分布反馈区域的)平面尺寸，th：太赫兹波

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1(a)是第一实施方式的太赫兹量子级联激光装置的示意俯视图，图1(b)是沿着a-a线的示意剖视图，图1(c)是沿着b-b线的示意剖视图。

太赫兹量子级联激光装置具有基板10、半导体层叠体20以及第一电极30。

基板10由具有光学非线形性的inp、ingaas、gaas等形成。

半导体层叠体20具有活性层12以及第一包层14。活性层12设置在基板10上，并且能够通过次能带间光学跃迁而发出第一红外线激光g1以及第二红外线激光g2。第一包层14具有沿着脊形波导路40的延伸方向(与a-a线平行)分离设置的第一分布反馈区域14a以及第二分布反馈区域14b。

活性层12例如是由inxga1-xas(0＜x＜1)形成的阱层与由inyal1-yas(0＜y＜1)形成的阻挡层交替层叠而得到的量子阱层(英文：quantumwell)被级联连接而形成的。

在第一实施方式中，第一分布反馈区域14a的平面尺寸s1小于第二分布反馈区域14b的平面尺寸s2。此外，半导体层叠体20也可以还具有第二包层11。在半导体层叠体20的一方的端面上，能够设置由sin/au等形成的高反射膜90。此外，在半导体层叠体12的另一方的端面上，能够设置由y2o3等形成的低反射膜92，作为光出射面。从基板10的端面10a发出太赫兹波th。

第一分布反馈区域14a的平面尺寸s1通过(第一包层14的上表面的宽度)×(衍射光栅区域的沿着a-a线的长度)来表示。此外，第二分布反馈区域14b的尺寸s2通过(第一包层14的上表面的宽度)×(衍射光栅区域的沿着a-a线的长度)来表示。在衍射光栅的宽度相同的情况下，平面尺寸之比成为衍射光栅区域的长度之比。

在半导体层叠体20的上部，至少包括第一包层14和活性层12，并设置有台面形、矩形剖面的脊形波导路40。在脊形波导路40的两侧面设置有由比构成半导体层叠体20的层的折射率更低的折射率形成的电介质层42，将第一红外线激光g1以及第二红外线激光g2分别在水平方向封闭，并且保护活性层12的侧面。此外，半导体层叠体20也可以在活性层12与基板10之间还具有第二包层11。脊宽度w1例如能够成为6～20μm等。

第一电极30设置于第一包层14的上表面。第一分布反馈区域14a以及第二分布反馈区域14b由配置在第一包层14的上表面的1维衍射光栅构成。衍射光栅的间距p由式(1)表示。

p＝mb×(λ0/2nr)式(1)

其中，mb：1以上的整数

λ0：自由空间内的波长

nr：构成脊形波导路的介质的折射率

在基板10具有导电性的情况下，在基板10的背面能够设置第二电极32。

图2是对量子级联激光装置的施加电压相对于相对电流密度的依存性进行说明的图表图。

衍射光栅沿着脊形波导路40以规定的间距配置。例如，当相对电流密度j超过0.5时，开始出射单一模式的红外线激光，随着施加电压v1增加而红外线激光输出增加。对第一分布反馈区域14a和第二分布期间区域14b提供相同的电压v1，因此电流密度几乎相等。假设，在两个分布反馈区域14a、14b的平面尺寸还相等的情况下，在各个区域中功耗变得相等，因此各个区域的峰值温度也变得几乎相等。因此，第一红外线激光g1以及第二红外线激光g2的波长变得几乎相等，难以生成太赫兹波。

与此相对，在第一实施方式中，第一分布反馈区域14a的电流i1相对于第二分布反馈区域14b的电流i2之比(i1/i2)，几乎与两个区域的平面尺寸之比(s1/s2)相同，在平面尺寸较大的第二分布反馈区域14b中消耗的电力，变大为在第一分布反馈区域14a中消耗的电力的约(s2/s1)倍。此外，将第一分布反馈区域14a的热阻设为rth1，将第二分布反馈区域14b的热阻设为rth2。

在各个区域中，产生热在半导体层叠体12的纵向以及水平方向上传播。在沿着a-a线为细长的区域即第二分布反馈区域14b中，产生热中的水平方向成分主要向与脊a-a线正交的方向扩散。另一方面，在平面形状接近正方形的第一分布反馈区域14a中，产生热中的水平方向成分向四方传播并且扩散，因此放热源的周边长度实际上变长。因此，成为(rth1/rth2)＜(s2/s1)，平面尺寸较大的第二分布反馈区域14b的峰值温度容易变得高于第一分布反馈区域14a的峰值温度。

即，在电流密度几乎相同时，高电流的第二分布反馈区域14b的峰值温度容易变得高于低电流的第一分布反馈区域14a的峰值温度。结果，能够使第二分布反馈区域14b的波长λ2长于第一分布反馈区域14a的波长λ1。

此外，也可以使第一分布反馈区域14a的峰值温度高于第二分布反馈区域14b的峰值温度。例如，当在第二分布反馈区域14b的脊形波导路40的两侧设置由不掺杂inp等形成的埋入层时，能够使产生热中的水平方向成分更有效地散热。因此，能够以(s1/s2)×rth1＞rth2的方式减少第二分布反馈区域14b的热阻，能够使波长λ2低于波长λ1。此外，红外线激光相对于温度的波长变化量例如为0.25～1nm/℃。

图3(a)是将太赫兹波量子级联激光装置的第一分布反馈区域的一个例子局部放大的示意剖视图，图3(b)是将其第二分布反馈区域的一个例子局部放大的示意剖视图。

第一红外线激光g1在第一分布反馈区域14a正下方的活性层12的区域中生成。此外，第二红外线激光g2在第二分布反馈区域14b正下方的活性层12的区域中生成。将第一分布反馈区域14a的衍射光栅的间距设为d1，将第二分布反馈区域14b的衍射光栅的间距设为d2。能够使在第一分布反馈区域14a中产生的第一红外线激光g1的波长λ1根据间距d1而变化。此外，能够使在第二分布反馈区域14b中产生的第二红外线激光g2的波长λ2根据间距d2而变化。

如本图那样，在间距d1≤间距d2的情况下，由于使作为差频的太赫兹波成为规定的范围内，因此能够缩窄可变温度范围，并能够提高温度的控制精度。

图4(a)是第一实施方式的变形例的示意俯视图，图4(b)是沿着a-a线的其示意剖视图，图4(c)是沿着b-b线的示意剖视图。

太赫兹量子级联激光装置能够进一步具有：能够对第一分布反馈区域14a的峰值温度进行控制的第一帕尔贴元件50；以及能够对第二分布反馈区域14b的峰值温度进行控制的第二帕尔贴元件52。

量子级联激光装置的芯片尺寸例如能够成为10mm×30mm等。因此，能够在第一分布反馈区域14a、第二分布反馈区域14b中分别设置帕尔贴元件50、52。例如，通过对两个中的任一个帕尔贴元件的温度进行微调，能够进行太赫兹波的波长的调整。在该情况下，例如，当对帕尔贴元件的驱动电流重叠随时间变化的三角波时，调整变得容易。此外，当通过两个帕尔贴元件使各个分布反馈区域的动作温度例如降低数十℃时，能够使两个红外线激光的输出增加，并使太赫兹波输出增大。

接下来，对作为两个红外线激光的差频而发出太赫兹波的情况进行说明。在活性层12内感应出的极化p，能够使用入射光的电场e而通过式(2)表示。

p＝χ1e+χ2e²+χ3e³+···式(2)

其中，χ1、χ2、χ3···为电极化率(suceptibility)

当第一红外线激光g1的强度以及第二红外线激光g2的强度变大时，电场e的2次以下的项变大而产生非线形光学效果。例如，单一模式的第一红外线激光g1的波长为4.3μm(频率69.7192thz，波数：2326cm^-1)，单一模式的第二红外线激光g2的波长为4.4μm(频率：68.1346thz，波数：2273cm^-1)。此外，活性层12包含ingaas(阱层)/inalas(阻挡层)等。通过非线形光学效果，例如，生成作为差频的15.8453thz的太赫兹波激光th(波长为189.2μm)。作为差频的太赫兹波激光th从基板10的端面10a发出。

图5(a)是第二实施方式的太赫兹量子级联激光装置的示意俯视图，图5(b)是沿着a-a线的示意剖视图，图5(c)是沿着b-b线的示意剖视图。

在第二实施方式中，第一电极30被分割，并具有设置在第一分布反馈区域14a之上的第一区域30a、以及设置在第二分布反馈区域14b之上的第二区域30b。能够使第一区域30a的电压v1与第二区域30b的电压v2成为不同值。

假设，当成为电压v1＞电压v2时，能够使第一分布反馈区域14a的电流密度高于第二分布反馈区域14b的电流密度。由于第一分布反馈区域14a的平面尺寸s1小于第二分布反馈区域14b的平面尺寸s2，因此通过电流密度的增大能够使峰值温度进一步提高，能够使波长变化范围进一步扩大。

此外，基板10也可以为半绝缘性。在该情况下，在脊形波导路40的两侧面使第二包层11露出。能够在第二包层11所包含的高浓度层的表面设置第二电极33a、33b。

图6(a)是将第二实施方式的太赫兹量子级联激光装置的第一分布反馈区域的一个例子局部放大的示意剖视图，图6(b)是将其第二分布反馈区域的一个例子局部放大的示意剖视图。

当使间距d1≥间距d2时，第一红外线激光g1的波长λ1能够长于第二红外线激光g2的波长λ2。并且，例如，通过使施加电压v1＞施加电压v2，由此第一分布反馈区域14a的电流密度进一步提高，第一分布反馈区域14a与第二分布反馈区域14b的温度差变大。因此，第一红外线激光g1与第二红外线激光g2的频率差能够进一步变大，能够扩大作为差频的太赫兹波的波长范围。或者，也可以使间距d1＜间距d2。

如此，在第二实施方式中，通过使供给电压v1、v2独立地变化，由此能够控制两个区域的温度差。此外，当供给电压v1以及v2的至少任一个包含随时间变化的三角波时，太赫兹波的调整变得容易。

图7(a)是第二实施方式的变形例的示意俯视图，图7(b)是沿着a-a线的示意剖视图，图7(c)是沿着b-b线的示意剖视图。

太赫兹量子级联激光装置还具有：能够对第一分布反馈区域14a的峰值温度进行控制的第一帕尔贴元件50；以及能够对第二分布反馈区域14b的峰值温度进行控制的第二帕尔贴元件52。

当通过帕尔贴元件使动作温度例如降低数十℃时，红外线激光输出增加，并使太赫兹波输出增大。此外，波长的调整变得容易。

在第一、第二实施方式以及附随于这些实施方式的变形例中，活性层12为，例如，发光量子阱层与注入·缓和量子阱层的对在厚度方向上层叠有数十～数百层程度。通过在活性层12的纵向上施加的电场，电子反复进行次能带间跃迁，在活性层12内生成增益区域。当通过光共振器使增益区域共振时，向外部取出1～20μm等波长范围的红外线激光。

此外，在使太赫兹频率带为1～5thz等的情况下，两个红外线激光的波长差需要为100nm等。在分布反馈区域中，没有纵模式的向长波长侧的跃迁，因此波长变化相对于温度变化的比率根据折射率的温度依存性来决定。例如，在4～4.5μm的波长范围中，波长变化的比率为0.25～1nm/℃等。

此外，为了将太赫兹波的波长调整为被检测物体的吸收线，因此需要对红外线激光的波长进行微调。例如，两个区域中的红外线激光的波长，能够根据各个区域的电流变化(相对于时间变化的电流三角波形等)以及通过帕尔贴元件而设置的两个区域间的温度差等来进行微调。

接下来，对通过捷连科夫放射取出太赫兹波的方法进行说明。

第一以及第二红外线激光g1、g2沿着脊形波导路40前进。另一方面，太赫兹波相对于活性层12的表面，以式(3)表示的捷连科夫放射角θ从基板10的端面10a发出。

其中，nthz：太赫兹波的不掺杂inp的折射率

nopt：红外线的活性层的折射率

n1：第一红外线激光的有效折射率≒nopt

n2：第二红外线激光的有效折射率≒nopt

λ1：第一红外线激光的波长

λ2：第二红外线激光的波长

例如，在波长为3～5μm的情况下，当使nthz＝3.6且nopt＝3.4时，捷连科夫放射角θ成为约20°，太赫兹波th向被研磨的基板10的端面10a的垂直方向发出。此外，当使切连科夫放射角θ为约30°时，太赫兹波th在基板10的端面10a折射，并向平行于与红外线激光出射的活性层12的端面正交的方向出射。

根据第一、第二实施方式以及附随于这些实施方式的变形例，提供能够作为两个红外线的差频而发出太赫兹波的量子级联激光装置。如果使用该量子级联激光装置，则能够对纸袋内的有害的特定物质等进行检测。当不使用量子级联激光装置时，太赫兹波的产生装置变得复杂。

说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子而提示，并不意欲限定权利范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式来实施，能够在不脱离要旨的范围内进行各种省略、置换及变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及要旨，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围。